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电子回旋共振等离子体推力器电磁仿真与实验研究

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电子回旋共振等离子体推力器电磁仿真与实验研究

作者：邹存祚大连理工大学

学位级别：硕士

电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance,ECR)等离子体是一种密度高、温度低、在低气压下形成的磁等离子体。电子在磁场中绕磁力线做回旋运动,当入射微波功率的频率与电子回旋角频率相等时,便产生电子回旋共振效应。在低气压10-1Pa... 详细信息

电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance,ECR)等离子体是一种密度高、温度低、在低气压下形成的磁等离子体。电子在磁场中绕磁力线做回旋运动,当入射微波功率的频率与电子回旋角频率相等时,便产生电子回旋共振效应。在低气压10-1Pa条件下,电子回旋共振等离子体密度理想情况可达1017～1019m3量级,在电子回旋共振效应区域电离率极高,其双极电场效应和磁喷管原理可加速等离子体喷出而产生推力。电子回旋共振等离子体推力器(Electron Cyclotron Resonance Plasma Thruster,ECRPT)作为一种新型的电磁式推力器,对其工作原理的研究是必要的。本文根据国内外已有的宝贵研究经验及电推进相关理论,分析总结了电子回旋共振等离子体推力器涉及的放电、传输理论以及加速机制,开展了放电腔室内等离子体物理特性参数的模拟计算工作,设计出电子回旋共振等离子体推力器原理样机,利用大连理工大学电推进实验室的高真空电推进实验平台进行实验,观察其放电现象。本文具体研究内容如下:相比于传统化学推进,先进化学推进和若干种先进的空间推进技术在性能指标已经遥遥领先,在本论文中详细阐述了各推进技术特点,重点强调了电推进技术相比于其他推进技术的长处和潜力,进而引出电子回旋共振等离子体推力器的特性以及在电推进中的广阔应用前景。叙述了电子回旋共振等离子体推力器的工作原理,包括电子回旋共振效应与磁喷管理论,并详细概括了电子回旋共振等离子体推力器羽流区的探针诊断理论。采用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件,建立了放电腔室的静磁场模型和微波电磁场模型,利用分离变量法的思想,通过改变相应参量,模拟计算出放电腔室内部电子数密度、电子温度以及碰撞功率损耗不同的空间分布情况。在大连理工大学电推进实验室高真空电推进实验平台搭建实验。分别在改变不同实验条件下观察不同的放电效果,并得出在本文设计实验条件下随着工质气体质量流量增大和微波入射功率增大,电子获得的能量越多,与中性粒子碰撞后使得更多中性粒子电离,电子数密度越大的结论。最后应用朗缪尔单探针对电子回旋共振等离子体推力器羽流区做探针诊断,得出相应的等离子体伏安特性曲线和等离子体参数值。

关键词：电推进电子回旋共振等离子体推力器双极加速磁喷管原理

螺旋波等离子体推进器中双层形成的PIC模拟

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强激光与粒子束 2015年第11期27卷 259-265页

作者：夏广庆徐宗琦邹存祚郝剑昆陈茂林王鹏大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连116024 大连理工大学航空航天学院大连116024 西北工业大学燃烧热结构与内流场重点实验室西安710072

建立了螺旋波等离子体推进器中双层等离子体形成过程的一维全粒子PIC模型,讨论了放电过程中电子加热模型和等离子体膨胀模型,计算了不同条件下螺旋波等离子体推进器中双层等离子体的分布。结果表明：采用氩气工质,在射频电流90A/m^2和... 详细信息

建立了螺旋波等离子体推进器中双层等离子体形成过程的一维全粒子PIC模型,讨论了放电过程中电子加热模型和等离子体膨胀模型,计算了不同条件下螺旋波等离子体推进器中双层等离子体的分布。结果表明：采用氩气工质,在射频电流90A/m^2和工作压强0.05-0.15Pa的条件下,可产生双层等离子体,其密度为1.3×10^15-2.8×10^15 m^-3,双层电势降为10-30V,可加速氩离子束流,喷射速度为3-12km/s,双层加速效应对推进器的性能具有一定影响。

关键词：电推进螺旋波等离子体双层等离子体等离子体模拟 PIC模拟

电子回旋共振等离子体推力器放电机理数值模拟研究

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推进技术 2018年第9期39卷 2144-2152页

作者：陈留伟夏广庆周念东吴秋云邹存祚大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室辽宁大连116024

电子回旋共振等离子体推力器(ECRPT)是一种高比冲、高效率且结构简单的新型电磁式推力器。为了研究推力器的放电原理和工作机制,采用漂移-扩散流体模拟方法,仿真模拟了微波等离子体放电过程。仿真结果表明,电子数密度达到10^(16)~10^(17... 详细信息

电子回旋共振等离子体推力器(ECRPT)是一种高比冲、高效率且结构简单的新型电磁式推力器。为了研究推力器的放电原理和工作机制,采用漂移-扩散流体模拟方法,仿真模拟了微波等离子体放电过程。仿真结果表明,电子数密度达到10^(16)~10^(17)m^(-3)数量级,氙气的电子数密度比氩气高50%;电子数密度、碰撞功率损耗均随着计算域内压强的增大而增大,电子温度随压强的增大而减小;电子数密度、碰撞功率损耗随着入射微波功率的增大而增大。在未来ECRPT的实际应用中,可以通过使用氙气,适当增大推力器腔内压强以及入射微波功率,使其具有最佳的推力、比冲和工作效率。

关键词：电推进电子回旋共振(ECR) 微波放电漂移-扩散仿真模拟

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三相逆变电源解耦控制与输出滤波器设计研究

机车电传动 2020年第3期 81-84,88页

作者：毕洪大邹存祚郭启亮中车大连电力牵引研发中心有限公司辽宁大连116052

通过对电力机车的三相逆变电源电路数学模型的分析,揭示了三相逆变电源在二相同步旋转dq坐标系下系统变量间的耦合关系,引入了一种将逆变电源的输出电压和负载电流进行前馈的双闭环解耦控制策略,实现了对三相逆变电源的线性解耦控制,此... 详细信息

通过对电力机车的三相逆变电源电路数学模型的分析,揭示了三相逆变电源在二相同步旋转dq坐标系下系统变量间的耦合关系,引入了一种将逆变电源的输出电压和负载电流进行前馈的双闭环解耦控制策略,实现了对三相逆变电源的线性解耦控制,此外,还对双闭环控制策略和后级输出滤波器参数的设计进行了研究,提出了一种具有较强实用性的工程设计方法。通过仿真和搭建样机试验证明了控制策略的正确性。

关键词：三相逆变电源线性解耦控制输出滤波器动态响应仿真

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螺旋波等离子体推力器地面实验原理样机设计

中国科学：技术科学 2015年第1期45卷 9-14页

作者：夏广庆郝剑昆徐宗琦王伟宗邹存祚王鹏大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室大连116024 中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室北京100094

螺旋波等离子体推力器(HPT)是一种新型的电磁式推力器,其基于螺旋波等离子体在发散磁场中存在的无电流双层效应,加速离子形成高速离子束喷流,从而产生推力.HPT的关键部件包括特定结构的射频天线和一定位型的磁场.本文首先总结了HPT的工... 详细信息

螺旋波等离子体推力器(HPT)是一种新型的电磁式推力器,其基于螺旋波等离子体在发散磁场中存在的无电流双层效应,加速离子形成高速离子束喷流,从而产生推力.HPT的关键部件包括特定结构的射频天线和一定位型的磁场.本文首先总结了HPT的工作特性,之后具体给出了HPT地面实验原理样机的设计方案,可为进一步的实验研究和推力器优化设计提供理论依据和参考.

关键词：电推进螺旋波等离子体推力器发散磁场

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三相逆变电源解耦控制与输出滤波器设计研究

电气传动自动化 2018年第6期40卷 1-5,10页

作者：毕洪大邹存祚中车大连电力牵引研发中心有限公司

本文通过对应用于电力机车的三相逆变电源的电路拓扑结构的分析,并在两相同步坐标系下的模型建立了电压方程和电流方程,从数学模型和其等效电路基础上进一步揭示出了三相逆变电源在同步坐标轴下的变量间是相互耦合的关系。为此,本文引... 详细信息

本文通过对应用于电力机车的三相逆变电源的电路拓扑结构的分析,并在两相同步坐标系下的模型建立了电压方程和电流方程,从数学模型和其等效电路基础上进一步揭示出了三相逆变电源在同步坐标轴下的变量间是相互耦合的关系。为此,本文引入了一种将逆变电源的输出电压和其负载电流前馈解耦双闭环控制策略,其实现了对三相逆变电源的线性解耦控制。此外,本文还对双闭环控制策略和后级输出LC滤波器参数的工程设计方法进行了研究,本文所提出的工程设计方法具有较强实用性,可适用于各种三相逆变电源的设计过程中。最后通过Matlab仿真软件对进行了仿真验证,并研制了一台应用于轨道交通领域的三相辅助逆变电源样机对控制策略的正确性进行了试验验证。

关键词：三相逆变电源线性解耦控制输出滤波器

基于LC滤波直流变换地铁车辆整流装置的研制

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电力电子技术 2021年第7期55卷 57-59,79页

作者：邹存祚毕洪大刘金晶宫钰明中车大连电力牵引研发中心有限公司辽宁大连116052

对一款应用于国产化地铁车辆辅助电源系统的整流装置进行设计。该装置采用了主预充回路、三相不控整流桥、基于LC滤波的移相全桥方波逆变器和全桥整流电路,主控CPU芯片为TMS320F28335。主控芯片通过对模拟量、数字量采集进行系统的核心... 详细信息

对一款应用于国产化地铁车辆辅助电源系统的整流装置进行设计。该装置采用了主预充回路、三相不控整流桥、基于LC滤波的移相全桥方波逆变器和全桥整流电路,主控CPU芯片为TMS320F28335。主控芯片通过对模拟量、数字量采集进行系统的核心算法控制及整流装置运行逻辑控制,在软件控制基础上优化LC参数提高输入输出电压精度及稳定性。应用Matlab进行了系统仿真之后,组装了一台样机。试验结果表明设计方案正确、输出特性效果良好。该方案的设计为后续产品推广市场打下了良好基础。

关键词：整流装置移相全桥方波逆变器全桥整流

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充电机无输出电流传感器控制方法的研究

电力电子技术 2022年第4期56卷 19-21页

作者：刘金晶邹存祚宫钰明李鹤群中车大连电力牵引研发中心有限公司辽宁大连116052

此处对应用于自主化动车组充电机中无输出电流传感器的输出电流控制方法进行研究。该方法通过对主电路拓扑中中频隔离变压器初级电流采集、处理及计算的结果控制输出电流,实现了输出电压调节及输出电流的等效电流控制的功能。控制核心... 详细信息

此处对应用于自主化动车组充电机中无输出电流传感器的输出电流控制方法进行研究。该方法通过对主电路拓扑中中频隔离变压器初级电流采集、处理及计算的结果控制输出电流,实现了输出电压调节及输出电流的等效电流控制的功能。控制核心架构为32位数字信号处理器(DSP)结合现场可编程门阵列(FPGA)芯片采样,主控芯片为TMS320F28335,主控芯片通过对模拟量、数字量采集进行系统的核心算法控制。应用Matlab进行了控制方法的系统仿真之后,在一台充电机样机中进行试验。试验结果表明控制方法的正确性,输出特性效果良好。该控制方法的研究为后续产品推广市场打下良好基础。

关键词：无输出电流传感器等效电流控制现场可编程门阵列

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螺旋波等离子体推进器原理研究

航天器环境工程 2015年第1期32卷 1-8页

作者：夏广庆徐宗琦王鹏王伟宗邹存祚大连理工大学航空航天学院工业装备结构分析国家重点实验室大连116024 中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室北京100094

电推进作为一种新型推进技术已受到国内外航天界的广泛关注,且已成功应用于卫星、深空探测器等任务。在众多电推进器中,螺旋波等离子体推进器以其无须电极、比冲大、使用寿命长、性能高等优点成为近年来人们重点研究的对象。文章首先从... 详细信息

电推进作为一种新型推进技术已受到国内外航天界的广泛关注,且已成功应用于卫星、深空探测器等任务。在众多电推进器中,螺旋波等离子体推进器以其无须电极、比冲大、使用寿命长、性能高等优点成为近年来人们重点研究的对象。文章首先从螺旋波等离子体推进器的发展历程、研究现状和发展态势等角度进行了系统介绍;然后对此种推进器的结构组成以及推进原理进行了阐述;并对几种典型离子加速方式进行了研讨;最后对螺旋波等离子体推进器的应用前景进行了展望。

关键词：电推进螺旋波等离子体推进器推进原理离子加速